JP6650202B2 - 熱処理層深さ測定用超音波プローブ及び熱処理層深さの測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、ワークの熱処理層の深さを測定するために使用される熱処理層深さ測定用超音波プローブ及び熱処理層深さの測定方法に関する。

従来、超音波を利用した厚みの測定装置が知られている。例えば下記特許文献１には、ワーク表面に付着した付着物の厚みを測定する超音波探触子、超音波測定器及び超音波厚み測定方法が提案されている。
この特許文献１の装置では、本体部に超音波を発信又は受信する素子が取り付けられ、本体部の内部に超音波の伝導率が高い液体を収納する空間が設けられ、この空間の開口が本体部の先端面でシール膜により覆われて構成されていた。
このような装置では、先端面を当接させて開口のシール膜をワークに接触させた状態で、超音波測定を行うことができる。そのためワーク及び探触子を液体中に浸漬させたり液体を垂れ流す必要がなくて測定が容易である。

また下記特許文献２には、超音波を用いて車輪用転がり軸受けなどのワークの焼入れ硬化層の深さを測定するための測定装置が提案されている。この特許文献２では、ワークを水中に浸漬させた状態で、超音波プローブからワークに超音波を入射させ、内部の散乱波のピークを検出して解析することで、焼入れ硬化層の深さを測定していた。

特開２００１−３０９４７５号公報 特許第９４３０１６号公報

しかしながら、従来のような液体を収容した超音波測定装置を用いてワークの焼入深さを測定する場合、十分な超音波を供給できるように本体部の開口や先端面を大きく設けると、ワークとの接触面積が広くなる。

ところが、素子とワークの被検出面との間隔を保つなどの理由で、本体部が硬質材料により形成されている。そのためワークとの接触面積を広げると、本体部の先端面の形状とワークの被検出面の形状とが僅かでも異なる場合に、ワーク表面から接触面が離間する部位が生じる。するとシール膜がワーク表面に密着できずに空気層が形成されてしまい、超音波がワークに入射できなくなり、測定が困難になる。

その結果、このような測定装置を用いてワークの焼入深さを測定するには、本体部の先端面の形状をワークの被検出面の形状に対応するように形成して開口を設けなければならず、ワークの僅かな形状の違いに応じて多数のホルダーを使用しなければならなかった。

そこで本発明では、被検出面の形状が互いに異なるワークであっても、共通に使用して容易に熱処理層の深さを測定することが可能な熱処理層深さ測定用超音波プローブを提供することを目的とし、そのような測定用超音波プローブを用いて、容易にワークの熱処理層深さを測定できる熱処理層深さの測定方法を提供することを他の目的とする。

上記目的を達成する本発明の熱処理層深さ測定用超音波プローブは、ホルダーとホルダーに取り付けられた探触子とを備え、ホルダーは、ワークと接触させる接触部と、接触部と探触子との間に設けられて伝搬物質で満たされた伝搬室と、を有する超音波プローブであって、ホルダーは、接触部側に開口するように伝搬室が設けられた本体部と、伝搬室の開口を密封して接触部を構成しワークの形状に追従可能な追従部材と、を有し、伝搬室の開口周囲には部分的に突出した突起部が設けられ、突起部と共に追従部材が突出形状に配置されてなり、追従部材をワークに接触させて熱処理層深さを測定するものである。

本発明の熱処理層深さ測定用超音波プローブにおいて、追従部材は、伝搬室の開口を密封するように被覆する軟質シートを有し、軟質シートにより伝搬室の開口を突起部と共に被覆することで、軟質シートが突出形状に配置されているのがよい。
また突起部が伝搬室の開口を挟んで両側に配設され、各突起部の頂部が開口より狭く形成されているのがよい。その場合、両側の突起部は、本体部の長手方向に連続し互いに逆勾配に傾斜した一対の平坦面により形成されているのが好適である。この突起部の頂部は、開口側が最も突出するように長手方向両側に向けて逆勾配に傾斜していてもよい。

上記他の目的を達成する本発明の熱処理層深さの測定方法は、探触子と、ワークに接触させる接触部と、探触子と接触部との間の伝搬室とを有する超音波プローブを用いた測定方法であって、伝搬室を伝搬物質で満たした状態で接触部を突出形状にし、接触部をワークの被検出面に押し付けることで接触部を被検出面の形状に追従させて密着させ、探触子から超音波を出力させて接触部及び伝搬物質を介して超音波を伝搬させて、ワークの熱処理層の深さを測定するものである。

本発明の熱処理層深さ測定用超音波プローブによれば、伝搬室の開口周囲に部分的に突出した突起部が設けられているので、ホルダーをワークの被検出面に押し付けると、突起部がワークの被検出面に当接する。これによりホルダーに取り付けられた探触子をワークの被検出面に対して所定距離に容易に配置できる。

そしてワークの形状に追従可能な追従部材により接触部が構成され、この接触部が伝搬室の開口の周囲から突出させた突起部とともに突出形状に配置されているので、接触部がワークの被検出面に押し付けられると、ワークの被検出面の形状に応じて突出形状が容易に変形できる。接触部の形状がワークの被検出面の形状に対応していなくても、ホルダーをワークの被検出面に押し付けることで接触部が変形して対応した形状となる。これにより、接触部とワークの被検出面とが密着した領域を形成でき、超音波の伝搬経路を十分な大きさで確保できる。

その結果、ホルダーをワークの被検出面に押し付けることで、ワークの被検出面に対して探触子を所定距離に容易に配置でき、接触部の軟質シートを密着させて超音波の伝搬経路を十分な大きさで確保できる。これによりワークの被検出面の形状が互いに異なるワークであっても、共通に使用して容易に熱処理層の深さを測定できる熱処理層深さ測定用超音波プローブを提供することが可能であり、そのような測定用超音波プローブを用いて容易にワークの熱処理層深さを測定できる熱処理層深さの測定方法を提供することが可能である。

本発明の実施形態に係る熱処理層深さ測定用超音波プローブの縦断面図である。 図１のＡ−Ａ断面図である。 本発明の実施形態に係る熱処理層深さ測定用超音波プローブによる焼入深さの測定方法を説明する図である。 （ａ）（ｂ）は本発明の実施形態に係る熱処理層深さ測定用超音波プローブにより他のワークの焼入深さを測定する方法を説明する図である。 本発明の実施形態に係る熱処理層深さ測定用超音波プローブによりさらに他のワークの焼入深さを測定する方法を説明する図である。

以下、本発明の実施形態について図を用いて詳細に説明する。
本実施形態の熱処理層深さ測定用超音波プローブ１０は、図１及び図２に示すように、ワークＷとの接触部２１を有するホルダー２０と、ホルダー２０に取り付けられた探触子３０とを備えている。

探触子３０は、図示しない電源部、制御部、処理部などに接続されており、超音波を出力可能であるとともに、ワークＷ内で反射された反射波を検知して電圧等の検知信号を出力可能となっている。
探触子３０の先端側には音響レンズや凹面振動子等の超音波の収束部３１が設けられており、出力される超音波がワークＷ内部における焼入層Ｗｈの深さの測定に適した距離で最も収束するように設定されている。

ホルダー２０は、伝搬室としての水室２２及びその開口２２ａが設けられて探触子３０が取り付けられた本体部と、水室２２の開口２２ａを密封するように、例えば液密に被覆して接触部２１を構成する追従部材としての軟質シート２３と、を有している。
水室２２及び開口２２ａには伝搬物質が満たされており、水室２２及び開口２２ａの伝搬物質及び接触部２１を介して、探触子３０とワークＷとの間で超音波が伝搬されるようになっている。

水室２２及び開口２２ａに収容された伝搬物質は、探触子３０からの超音波をワークＷ内に入射させるための水、エタノール等の液体、ゲルなどの変形自在な軟質の伝搬物質であり、気体層や気泡が存在しないことが望ましい。

本体部２５は、測定時に変形しない強度を有する樹脂等の硬質材料により略板状に形成されており、水室２２が内部に形成され、その開口２２ａが側周囲の一方側に形成されている。水室２２及び開口２２ａは長手方向に沿う長穴形状に形成されており、水室２２の断面形状に対応した形状で側周囲に開口している。
探触子３０は、この水室２２に先端を望ませた状態で開口２２ａ側に向けて取り付けられている。

本体部２５の側周囲における開口２２ａが設けられた側には、開口２２ａの周囲を部分的に突出させて突起部２６が設けられている。この実施形態では、水室２２の開口２２ａを挟んで長手方向両側となる位置に突起部２６が設けられており、各突起部２６の頂部２６ａが水室２２の開口２２ａよりも狭く形成されて長手方向に延びている。

本体部２５の開口２２ａを有する側部側には、長手方向の全長に連続して互いに逆勾配に傾斜した一対の平坦面２７が設けられており、各突起部２６はこの一対の平坦面２７により中央部分で突出した山形形状に形成されている。そして両側の突起部２６の頂部２６ａは、それぞれ開口２２ａ側が最も突出するように長手方向両側に向けて傾斜している。

ワークＷと接触させる接触部２１は、接触時にワークＷの被検出面の形状に追従可能な追従部材により形成されており、この実施形態では軟質シート２３により形成されている。軟質シート２３は本体部２５の開口周囲２２ｂの突起部２６とともに開口２２ａを密封するように被覆して、本体部２５に貼着されている。この軟質シート２３は超音波の透過率が高く、ワークＷの被検出面Ｗｓと当接させた際に変形可能な柔軟性を有する樹脂等の薄肉材料からなるものが使用されている。

接触部２１では、長穴形状の開口２２ａ両側の突起部２６が一対の平坦面２７により山形形状に形成されているため、軟質シート２３が開口２２ａに対応する位置で、開口周囲２２ｂより突出して配置されている。具体的には、中空の山形に突出した形状であって頂部が突起部２６の頂部２６ａに対応した形状となっている。

接触部２１がこのような形状であると、ワークＷの被検出面Ｗｓに接触した際、軟質シート２３の山形形状や中空部分のために変形の自由度が大きく、適度の弾性で接触部２１を被検出面Ｗｓに密着させることができ、さらに密着部分に存在する空気層や気泡を排除することも可能である。

次に、このような超音波プローブ１０を用いて、ワークＷの焼入層Ｗｈの深さを測定する方法について説明する。ここでは、図１及び図２に示される大型軸受部材の外輪の転動面等のような円環状のワークＷにおける内周面の焼入深さを測定する。
まず図３に示すように、ホルダー２０を治具４０に装着し、ホルダー２０及び接触部２１の長手方向がワークＷの周方向に沿うように配置し、治具４０の底面を被検出面Ｗｓに当接させることで、ホルダー２０の接触部２１をワークＷの被検出面Ｗｓに対して略直交方向に押し付ける。被検出面Ｗｓにはグリセリン等の伝達媒体が塗布されていてもよい。

これにより図１及び図２に示すように、水室２２の開口周囲２２ｂの突起部２６を被検出面Ｗｓに当接させて、本体部２５に取り付けられた探触子３０をワークＷの被検出面Ｗｓに対して所定位置に配置し、軟質シート２３を変形させて被検出面Ｗｓに密着させる。
この状態で、探触子３０から超音波を出力すると、超音波は、水室２２の伝搬物質、接触部２１の軟質シート２３、ワークＷ表面のグリセリン等の伝達媒体などを介して伝搬され、ワークＷ内部に入射される。
入射した超音波がワークＷ内部で反射して探触子３０まで到達した反射波により、探触子３０から電圧等の電気信号が出力され、処理部などによりその波形等に基づいて解析され、焼入層の深さが測定される。

次に、同じ超音波プローブ１０を用いて、大型軸受部材における内輪の転動面等のように、円環状のワークＷにおける外周面の焼入層Ｗｈの深さを測定する場合について、図３及び図４を用いて説明する。
まず内周面の測定と同様に、図３に示すようにホルダー２０を治具４０に固定してワークＷの周方向に沿うように配置し、接触部２１をワークＷの被検出面Ｗｓに押し付ける。
これにより図４（ａ）（ｂ）に示すように、水室２２の開口周囲２２ｂの突起部２６における開口２２ａに隣接する部位を、被検出面Ｗｓに当接させて所定位置に配置し、軟質シート２３を変形させて被検出面Ｗｓに密着させる。この状態で、探触子３０から超音波を出力することで、内周面の測定と同様に、焼入層の深さが測定される。

［作用効果］
以上のような超音波プローブ１０によれば、水室２２の開口周囲２２ｂに部分的に突出した突起部２６が設けられているので、ホルダー２０をワークＷの被検出面Ｗｓに押し付けると、突起部２６がワークＷの被検出面Ｗｓに当接する。これによりホルダー２０に取り付けられた探触子３０をワークＷの被検出面Ｗｓに対して所定距離に容易に配置できる。
また、水室２２の開口２２ａの周囲から突出させた突起部２６を、水室２２の開口２２ａとともに軟質シート２３で被覆することで、接触部２１が構成されているので、軟質シート２３を突出形状にして開口周囲２２ｂより突出させた状態で配置でき、接触部２１を中空の突出形状で軟質に形成できる。

そのため、接触部２１がワークＷの被検出面Ｗｓに押し付けられると、ワークＷの被検出面Ｗｓの形状に追従して突出形状が容易に変形する。接触部２１の形状がワークＷの被検出面Ｗｓの形状に対応していなくても、ホルダー２０をワークＷの被検出面Ｗｓに押し付けることで、接触部２１が変形して対応した形状となる。これにより接触部２１の軟質シート２３とワークＷの被検出面Ｗｓとを、気体層や気泡が存在しない状態で密着させることができ、超音波の伝搬経路を十分な大きさで確保できる。

その結果、ホルダー２０をワークＷの被検出面Ｗｓに押し付けることで、ワークＷの被検出面Ｗｓに対して探触子３０を所定距離に容易に配置できるとともに、接触部２１の軟質シート２３を密着させて超音波の伝搬経路を十分な大きさで確保できる。これにより、ワークＷの被検出面Ｗｓの形状が互いに異なるワークＷであっても、超音波プローブ１０を共通に使用して容易に焼入深さを測定できる。

またこの超音波プローブ１０によれば、突起部２６は、水室２２の開口２２ａを挟んで両側に配設され、各突起部２６の頂部２６ａが開口２２ａより狭く形成されているので、ホルダー２０の硬質部分においてワークＷの被検出面Ｗｓと当接する面積を少なくしつつ、探触子３０とワークＷの被検出面Ｗｓとを所定距離に安定配置し易い。

即ち、開口２２ａより狭い幅の突起部２６により被検出面Ｗｓに２点で当接させれば、被検出面Ｗｓが凹面や凸面等の立体形状であっても、開口周囲全体で被検出面Ｗｓに当接させるよりホルダー２０を安定して配置できる。そのため、ホルダー２０に取り付けられた探触子３０と被検出面Ｗｓとの間の距離を安定することが可能である。

しかも、そのような突起部２６を軟質シート２３で被覆すれば、開口周囲２２ｂの広い幅から開口２２ａより狭い幅に先細り形状で変形可能な接触部２１を形成できる。そのため、接触部２１をワークＷの被検出面Ｗｓに押し付けた際、接触部２１の先端側を変形させて密着し易く、超音波の伝搬経路、特に接触部２１と被検出面Ｗｓとの間から空気層や気泡等を排除し易い。

また、この超音波プローブ１０によれば、両側の突起部２６は本体部２５に長手方向に連続し互いに逆勾配に傾斜した一対の平坦面２７により形成されているので、本体部２５の接触部２１側に形成される接触部２１の形状を簡素化でき、凹凸が少ない分接触部２１を種々の被検出面に密着させることができる。
さらに本体部２５の接触部２１側の形状が平坦面により簡素に形成されることで、突起部２６と共に水室２２の開口２２ａを軟質シート２３で被覆して密封することができ、軟質シート２３が突出形状に配置された接触部２１を容易に形成できる。

また、この超音波プローブ１０によれば、突起部２６の頂部２６ａは開口２２ａ側が最も突出するように長手方向両側に向けて傾斜しているので、突出形状の接触部２１を最も突出させることができ、接触部２１をワークＷの被検出面Ｗｓに密着させ易く、汎用性を向上できる。

なお上記実施形態は、本発明の範囲内において適宜変更可能である。
例えば、上記実施形態では、被検出面Ｗｓが環状のワークにおける平坦な外周面又は内周面の場合について説明したが、特に限定されず、例えば図５に示すような凹部であっても、本発明の超音波プローブを用いて焼入層Ｗｈの深さを測定することができる。
この図５では、凹部の隅部分は、ホルダー２０が山形で先細り形状のため、実線で示すように超音波プローブ１０を傾斜させることで、接触部２１を密着させて検出することが可能である。また凹部の立ち上がり部分では、仮想線で示すように、超音波プローブ１０を底面に寝かせて配置することで、立ち上がり部分に接触部２１を密着させて検出することができる。

上記実施形態の探触子３０は、超音波を出力できるとともに、反射波を検知できるものを用いたが、特に限定されるものではなく、何れか一方のみを行う探触子であっても本発明を同様に適用することができる。
上記実施形態では、本体部２５の開口２２ａの両端に一対の突起部２６を設けた例について説明したが、一方だけであってもよく、３カ所以上に突起部を設けることも可能である。
また突起部２６として、一対の傾斜面により山形形状に形成したが、開口から突出する形状であればよく、ピン等のように一点で突出するような形状であってもよい。
上記実施形態では、ホルダー２０を治具４０に固定して測定した例について説明したが、特に限定されるものではなく、ホルダー２０を作業者が把持して測定してもよい。
測定対象は検出可能な組織であれば、焼入層Ｗｈに限らず、他の熱処理層の深さでもよい。

Ｗ ワーク
Ｗｓ 被検出面
Ｗｈ 焼入層
１０ 超音波プローブ
２０ ホルダー
２１ 接触部
２２ 水室
２２ａ 開口
２２ｂ 開口周囲
２３ 軟質シート
２５ 本体部
２６ 突起部
２６ａ 頂部
２７ 平坦面
３０ 探触子
３１ 収束部
４０ 治具

Claims (6)

1. ホルダーと該ホルダーに取り付けられた探触子とを備え、前記ホルダーは、ワークと接触させる接触部と、該接触部と前記探触子との間に設けられて伝搬物質で満たされた伝搬室と、を有し、前記伝搬物質及び前記接触部を介して前記探触子と前記ワークとの間で超音波を伝搬可能な超音波プローブであって、
   前記ホルダーは、
   前記接触部側に開口するように前記伝搬室が設けられた本体部と、前記伝搬室の開口を密封して前記接触部を構成し前記ワークの形状に追従可能な追従部材と、を有し、
   前記伝搬室の開口周囲には部分的に突出した突起部が設けられ、該突起部と共に前記追従部材が突出形状に配置されてなり、
   前記追従部材を前記ワークに接触させて熱処理層深さを測定する、熱処理層深さ測定用超音波プローブ。
2. 前記追従部材は、前記伝搬室の開口を密封するように被覆する軟質シートを有し、
   該軟質シートにより前記伝搬室の開口を前記突起部と共に被覆することで、前記軟質シートが突出形状に配置されている、請求項１に記載の熱処理層深さ測定用超音波プローブ。
3. 前記突起部は、前記伝搬室の開口を挟んで両側に配設され、各突起部の頂部が前記開口より狭く形成されている、請求項１又は２に記載の熱処理層深さ測定用超音波プローブ。
4. 前記両側の突起部は、前記本体部に長手方向に連続し互いに逆勾配に傾斜した一対の平坦面により形成されている、請求項３に記載の熱処理層深さ測定用超音波プローブ。
5. 前記突起部の頂部は、前記開口側が最も突出するように長手方向両側に向けて傾斜している、請求項４に記載の熱処理層深さ測定用超音波プローブ。
6. 請求項１から５のいずれか一項記載の超音波プローブを用いた測定方法であって、
   前記伝搬室を伝搬物質で満たした状態で前記接触部を突出形状にし、
   前記接触部を前記ワークの被検出面に押し付けることで該接触部を前記被検出面の形状に追従させて密着させ、
   前記探触子から超音波を出力させて前記接触部及び前記伝搬物質を介して超音波を伝搬させて、前記ワークの熱処理層の深さを測定する熱処理層深さの測定方法。

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